1. Основные принципы построения

На рис. 2 приведена классификация принципов построения датчиков давления для летных испытаний.

Рис. 2. Методы построения датчиков давления при летных испытаниях.

Широкое применение нашел пружинный метод.

Датчики с гофрированными мембранами используются, в основном, для измерения воздушных параметров полета (высоты и скорости) и медленноменяющихся (с частотой до 1...3 Гц) давлений, например, по тракту газотурбинных двигателей.

Потенциометрические датчики получили широкое распространение благодаря большому выходному сигналу, который можно регистрировать непосредственно аппаратурой точной магнитной записи или светолучевыми осциллографами.

Требования миниатюризации и обеспечения эксплуатации в сложных условиях обусловили интенсивное развитие и внедрение индуктивных, пьезоэлектрических и тензорезисторных датчиков давления с плоскими мембранами. Датчики могут измерять давления в широких амплитудных, частотных и температурных диапазонах.

Индуктивные и тензорезисторные датчики осуществляют, в принципе, функции измерения как постоянной, так и переменной составляющих давления. Пьезоэлектрические датчики измеряют только переменную составляющую давления. Решающее достоинство тензорезисторных датчиков заключается в достижении высокого уровня их миниатюризации.

Получили развитие частотные датчики, а также приборы, основанные на методе силовой компенсации. Эти датчики и приборы обладают повышенной точностью и применяются, в основном, для измерения воздушных параметров полета. Создаются также приборы, основанные на элементах пневмоники, с обеспечением, в первую очередь, функции измерений малых воздушных скоростей.

Метод взвешивания, основанный на уравновешивании давления гирями или столбом жидкости, используется, как правило, в образцовых средствах измерений давления.

Типовая структурная схема преобразования сигналов в датчиках давления приведена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема преобразований сигнала в датчиках давления

На схеме обозначено: 1 – звено, отображающее процесс передачи давления (по трубопроводу, приемнику давления, через защитный экран); 2 – звено, отображающее установку датчика на объекте; 3 – упругий элемент (преобразователь давление – сила); 4 – связующее упругого элемента с чувствительным элементом; 5 – чувствительный элемент (преобразователь неэлектрической величины в электрический сигнал); 6 – измерительная цепь.

Схема объединяет индуктивные, тензорезисторные и другие датчики, в которых применяется преобразование деформации упругого элемента в относительное изменение сопротивления. Она описывает большую номенклатуру датчиков, отличающихся между собой диапазонами измерений, конструктивным оформлением, условиями эксплуатации.

2. Методы отбора измеряемого давления

Эти методы определяются допустимостью и возможностью вмешательства в объект исследования (рис. 4).

Рис. 4. Экспериментальные методы измерения давления.

Они обусловили и соответствующие способы установки датчиков (рис. 5).

Рис. 5. Принципиальная схема способов установки датчиков, реализующих три метода отбора измеряемого давления:

а) давление к датчику Д подается по пневмотрассе (трубопроводу); б) мембрана датчика Д установлена заподлицо с исследуемой поверхностью объекта; в) ПВД с датчиком Д, вынесенным из потока; г) ПВД с датчиком Д в потоке; д) приклеиваемый датчик давления Д; е) приклеиваемые трубопровод и датчик давления Д.

Традиционным является дренажный метод, применяемый, например, при измерении давления на крыле самолета. Однако в целом ряде случаев применение дренажного метода невозможно. Кроме того, этот метод отличает большая трудоемкость и сложность оборудования. Наконец, возможны источники погрешностей, вызванные конструктивными и технологическими несовершенствами дренированных точек трубопроводов, а также динамические погрешности, обусловленные наличием механической и акустической колебательных систем. Указанные недостатки практически исключили его применение, например, при измерении давления на несущих поверхностях ЛА. Основные источники погрешностей дренажного метода представлены на рис. 6.

Рис. 6. Возможные источники погрешностей дренажного метода измерения давления.

При использовании метода выноса ПВД в поток применяют различные типы приемников (насадков). Наиболее сложным является измерение давления с выносом датчика в поток. При многоточечных измерениях применяются групповые приемники. Эксплуатация в летных условиях предъявляет жесткие требования к их конструкции. ПВД должны обладать механической прочностью при минимальном сечении и возможностью установки требуемой группы датчиков быстроменяющихся давлений и приемников медленноменяющихся давлений. Необходима организация системы противодавления для применения датчиков повышенной чувствительности, а также минимальная чувствительность датчика к скосам набегающего потока в широком диапазоне изменения углов.

Важным фактором является оперативное выполнение монтажа электрических и пневматических линий связи и возможность метрологического контроля датчиков давления на объекте.

Бездренажный метод основан на применении миниатюрных датчиков давления, устанавливаемых на наружной поверхности исследуемой конструкции. Этот метод обладает рядом достоинств:

• универсальностью применения,

• невмешательством конструкции несущей поверхности,

• возможностью измерения абсолютного и перепадов давления в большом числе точек,

• сравнительно малым временем, необходимым для препарирования исследуемой конструкции.

Для реализации метода созданы и внедрены миниатюрные датчики давления плоской конструкции, габаритные размеры которых допускают их установку на поверхности ЛА. Датчики работают при воздействии инерционных сил и деформации объекта измерения, а также при аэродинамическом нагреве поверхности. Установка их несложна и надежна. Кроме того, обеспечивается простота замены датчиков и возможность их повторного применения.

Датчик даже в миниатюрном исполнении, установленный на наружной поверхности, представляет собой постороннее тело, которое может нарушить структуру обтекания. Поэтому важен выбор такого способа его установки, при котором эти нарушения пренебрежимо малы. В практике летных испытаний широкое применение получил способ установки датчиков давления в ленточном обтекателе (рис. 7).

Рис. 7. Бездренажная установка датчиков давления.

В сечении обтекатель представляет собой полусферическую поверхность, выполненную с помощью герметика.

Максимальная толщина средней части обтекателя равна высоте датчика, поэтому мембрана датчика оказывается заделанной заподлицо с поверхностью обтекателя. Применяются местные обтекатели, а также профильные обтекатели, охватывающие верхнюю и нижнюю поверхности объекта измерения.

Технологические операции по монтажу электрических проводов, сборке схем измерения, грунтовке и покраске препарированного участка поверхности аналогичны операциям при тензометрировании подобных элементов конструкции.

Датчики давления по видам решаемых задач и реакции на входное воздействие, обусловливающий выбор соответствующей аппаратуры точной магнитной записи, можно разделить на две группы.

Первая обширная группа датчиков, наряду с измерением воздушных параметров полета, решает задачи измерений медленноменяющихся параметров давлений ( ) на несущих поверхностях летательного аппарата, по тракту и в агрегатах силовой установки, а также в системах самолетного оборудования. Наиболее широкое применение в этой группе получили потенциометрические датчики, индуктивные датчики с автономными или встроенными согласующими устройствами, система датчик–пневмокоммутатор.

Изучение аэродинамики и прочности несущих конструкций летательных аппаратов, исследование условий совместной работы воздухозаборника и газотурбинного двигателя потребовало внедрения комплекса средств измерений быстроменяющихся параметров давлений. Поэтому во второй группе широко распространены индуктивные датчики с автономными усилителями на несущей частоте, пьезоэлектрические датчики с усилителями переменного тока и тензорезисторные датчики с дифференциальными усилителями.

Лекция 8